数控切割技术的研究与应用现状

庞磊

摘 要：本文在对于等离子切割机工作原理进行深入理解的基础上，结合国内外数控等离子切割技术研究现状，对于数控切割的工艺控制要点进行了分析，如切割功率密度、喷嘴高度、工作气体与流量、电弧电压以及切割速度等的优化控制，以提升实际应用中数控切割技术水平。

关键词：数控；切割；工艺；等离子

中图分类号：TG66 文献标志码：A

1 等离子切割机的工作原理

高压正馈式等离子切割机主要包括漏抗变压器、开关电源、电气控制组件和整流桥等部件，在电源接通后即可输出120V～180V电压，拨动喷嘴头部的切割开关后设备即开启供气，当负极接通后，喷嘴接触待切割金属板开启切割工序。在切割过程中，高压电场将气流组织逐步电离，并形成电离子通路，即电弧，在此综合作用下，待切割金属板被快速熔断，待切割完成后关闭高压及供气继电器。其中等离子气体可实现电弧功率的高效转移，极高温度的电离气体不断融化待切割金属板，形成等离子切割弧。数控等离子切割喷头部分结构如图1所示，包括液体工作介质、加热器、气体、离子化工作介质和等离子割嘴等，在阴极形成等离子射束。割炬中压缩空气包括等离子气体及辅助气体两路，其中前者对于金属制品的融化起到关键作用，而后者主要起到冷却、清洁作用。切割电源主要分为主电路（接触器、整流器、变压器、保护装置及引弧线圈等）及控制电路（通过割炬的通断实现对整个切割过程的有效控制），其中切割工艺过程包括预通气、电源通路（接触器控制）、高频引弧（由控制电路振荡器实现）、等离子切割、息弧和停机等阶段。

2 国内外数控等离子切割的现状

国内数控切割技术的应用主要包括等离子切割机、火焰切割机两大类，由此诞生了包括手工下料、自动化切割机下料以及数控切割机下料等多类机械装置。其中手工下料装置具有较强的灵活性，但其控制精度及劳动效率较低；仿形机下料需与工件靠模搭配使用，有利于提升工件下料质量；而半自动化下料机对于工件的普适性较差。伴随经济形势的利好，数控切割设备以其优异的板材利用率及产品质量控制在生产加工中得到广泛应用，有利于提升劳动效率。国内数控切割技术发展起步较晚，由于较高的生产控制成本及维护的复杂性，目前数控切割机下料占比仅为20%左右，但伴随控制系统的不断改良升级，数控切割机的发展逐步进入快速发展期，等离子切割机的数控水平不断提升，目前国内数控切割机的市场需求量也在不断提升，具有较大的市场及发展潜力。数控等离子切割机主要包括普通等离子弧切割（氧气及氩气等离子弧切割等）、再约束等离子弧切割（切割速度及质量进一步得到提升）以及精细等离子弧切割（具有高密度的等离子弧电流密度，旋转磁场技术不断提升了电弧稳定性，且切割成本进一步降低）等类型，其中，高速精细等离子切割机中配置性能优异的数控传动系统，精细化等离子弧切割的控制精度可达0.25mm，性价比较高。

在国际范围内，等离子切割机不断取得技术性突破，如将NEC520连续轨迹控制器与PC600水射流式等离子系统搭配应用可提升金属板材切割精度；搭配HD890等离子机可提升切割精度；采用计算机优化控制程序可实现全自动除尘功能。

等离子切割电源的应用以高漏抗变压器搭配逆变式等离子切割电源为主，而伴隨数控技术的更新，等离子数控技术也不断朝着高精度、高效化方向发展，充分利用丰富的硬件及软件资源日升数控系统结构的开放性，提升数控系统的适应性、扩展性及通用性，其中开放系统结构包括CNC+工控机主板及工控机+运动控制板两大类，网络化及自动化性能不断提升。总体上讲，未来切割行业将朝着智能化、网络化以及高效化等方向不断发展。

3 数控切割的工艺控制

3.1 切割功率密度

在等离子数控切割过程中，切割喷嘴作为关键性组件，在冷却过程及清洁过程中发挥着关键性作用，为提升等离子切割弧的性能，可考虑缩小喷嘴孔径，并加长孔道，有利于提升电弧的功率密度及喷嘴有效断面电流值。在另一方面，工作介质进一步被压缩将导致切割电弧的功率损失，相较于电源功率输出，等离子弧切割过程的能量损失率可达40%～60%，因此需进行高效的造价控制及切割工艺控制，不断提升切割精度及效率。

3.2 喷嘴高度

切割喷嘴也是等离子弧长的有效组成部分，喷嘴高度即其断面距离待切割金属上平面的长度，等离子切割过程中电源通常选用恒流特征电源，喷嘴高度提升后，切口将被拓宽，切割电流将减小，而功耗、弧长及电压均会增大，进一步增大弧柱能量损耗，导致切割能量的降低；同时，在喷嘴射流口处等离子射流的形态多为外膨胀型，而为实现对切割质量及速度的有效控制，需控制喷嘴高度在阈值范围下限，并避免双弧现象出现，可考虑采用陶瓷外喷嘴。

3.3 工作气体与流量

在等离子数控切割中，需依据待切割金属板的材质、厚度等合理选用工作介质，包括切割气体、辅助气体及起弧气体等，一方面起到对氧化物的清洁作用，另一方面确保等离子射流合理形态。在流量控制方面，应避免流量过大引发射流长度的缩短，进一步降低电弧稳定性及切割质量性能；也应避免流量过小引发的等离子弧挺直度变差，等离子弧切割机多通过气体压力实现有效控制。

3.4 电弧电压及切割速度

等离子数控切割设备的电弧电压是切割效率及精度控制的关键，电弧电压提升将导致电弧焓值的提升，同时射流流速也得到提升，有利于提升切割速度；切割速度范围与待切割金属制品材质、尺寸参数及热导率等密切相关，切割速度较低时不利于对电弧质量的有效控制，且易导致金属融化，形成圆角边缘；而切割速度过快时易引发切口挂渣，影响切割质量。

结语

数控切割技术基于数字化程序控制技术发展而来，并伴随技术领域的突破不断取得新的发展。国内等离子数控切割技术尚处于起步发展阶段，需通过电弧电压及切割速度、切割功率密度、喷嘴高度、工作气体与流量等技术要点的有效控制不断提升切割效率及精度。

参考文献

[1]刘德刚，李佳星，赵静赟.基于ObjectARX的切割轨迹自动编程系统的设计与实现[J].组合机床与自动化加工技术，2014（8）：137-139.

[2]雷刚，汪健，彭林，等.基于PC104和PCL6025B的数控切割机控制系统设计[J].制造业自动化，2014（5）：148-151.